V notranjosti motornega krmilnika: trifazni mostič, tranzistorji, merjenje toka

Od zunaj je krmilnik ohišje z debelimi žicami na eni strani, tankimi na drugi in hladilnim telesom. V notranjosti najdemo dva svetova: močnostni del, ki upravlja s stotinami amperov, in krmilni del, ki izračunava, kaj mora močnostni del storiti. Ta vodnik odpira ohišje, ne da bi govoril o katerem koli konkretnem izdelku.

Trifazni mostič

Vsaka faza motorja je povezana z dvema stikaloma: enim proti plusu baterije (zgornje stikalo) in drugim proti minusu (spodnje stikalo). Tri faze, torej šest stikal: to je trifazni mostič ali razsmernik.

Če zapremo zgornje stikalo faze, jo povežemo s plusom; če zapremo spodnje, z minusom. Z zelo hitrim izmenjevanjem med obema, s spremenljivim časovnim razmerjem, v povprečju dobimo katero koli napetost med ničlo in napetostjo baterije. Ta tehnika se imenuje pulzno-širinska modulacija (PWM). Navitja motorja zgladijo te impulze in tok, ki teče skozi njih, postane skoraj sinusoiden.

Nikoli ne smete hkrati zapreti obeh stikal iste faze: to bi povzročilo kratek stik baterije.

Močnostni tranzistorji

Pri krmilnikih za skiroje, kolesa ali lahka motorna kolesa so stikala običajno MOSFET tranzistorji. Ko so zaprti, se obnašajo kot zelo majhen upor; ko so odprti, blokirajo napetost baterije. Za višje napetosti električnih avtomobilov pogosteje srečamo IGBT ali tranzistorje iz silicijevega karbida.

Za prenos večjega toka pogosto vzporedno na vsak položaj postavimo več tranzistorjev. Njihova največja napetost mora znatno presegati napetost polne baterije, da prenesejo napetostne konice pri vsakem preklopu in pri zaviranju.

Od kod prihaja toplota

Tranzistor se segreva na dva načina:

• pri prevajanju: tok teče skozi njegov majhen upor. Ta izguba narašča s kvadratom toka: podvojitev toka poveča toploto za štirikrat;
• pri preklapljanju: v kratkem trenutku, ko preide iz odprtega v zaprto stanje, prenaša tako napetost kot tok. Bolj ko pogosto preklaplja, bolj ta izguba šteje.

Zato krmilnik, ki je oglaševan za zelo visok tok, tega zdrži le nekaj sekund, če ni dobro hlajen.

Gonilniki vrat in mrtvi čas

MOSFET se krmili preko svojih vrat (gate), ki jih je treba zelo hitro napolniti in izprazniti, da lahko čisto preklopi. Mikrokrmilnik nima dovolj moči, da bi to storil neposredno: za to poskrbijo specializirana vezja, gonilniki vrat, ki se s tem ukvarjajo. Upravljajo tudi zgornje stikalo, katerega napetostna referenca "plava" s fazo.

Med odpiranjem enega stikala in zapiranjem drugega na isti fazi pustimo kratek časovni zamik, ko sta oba odprta: to je mrtvi čas. Če je prekratek, tvegamo kratek stik med prehodom; če je predolg, popači napetost in doda izgube. Njegova nastavitev je odvisna od tranzistorjev in njihovih gonilnikov.

Merjenje toka

Za vektorsko krmiljenje, tako kot za zaščite, mora krmilnik natančno poznati tok v fazah. Prevladujeta dve metodi:

• shunti: zelo majhni precizni upori, nameščeni na poti toka, katerih majhno napetost merimo;
• senzorji toka s Hallovim učinkom, ki merijo magnetno polje, ki ga ustvari tok, ne da bi bili na njegovi poti, kar je pogostejše pri visokih tokovih.

Meritev je treba opraviti v pravem trenutku cikla preklapljanja, daleč od trenutkov preklopa, kjer bi bila motena.

Kondenzatorji vodila

Mostič iz baterije črpa sekljan tok s frekvenco preklapljanja. Kabli baterije, ki so predolgi in preveč induktivni, ne morejo zagotoviti teh impulzov. Kondenzatorji, nameščeni čim bližje mostiču, delujejo kot rezervoar: zagotavljajo konice in gladijo tok, ki ga vidi baterija. Tudi oni se segrevajo in njihova izbira določa življenjsko dobo krmilnika.

Zaradi njih potrebuje visokonapetostni krmilnik tudi vezje za prednapetost ali konektor proti iskrenju: ob priklopu prazni kondenzatorji nenadoma potegnejo močan tok.

Krmilni del

Mikrokrmilnik v vsakem ciklu preklapljanja izvaja krmiljenje motorja: branje tokov, izračun položaja rotorja, regulacijo, generiranje ukazov za mostič. Okoli njega najdemo:

• vhode za plin, zavoro in senzorje motorja;
• komunikacijske povezave z zaslonom, drugim krmilnikom ali nastavitvenim računalnikom;
• meritve napetosti baterije in temperatur (tranzistorjev in pogosto motorja);
• nizkonapetostno napajanje, pridobljeno iz baterije, za elektroniko in včasih za dodatno opremo.

Zaščite

Hlajenje, prava omejitev krmilnika

Tranzistorji so nameščeni na površino, ki odvaja njihovo toploto proti ohišju, nato pa v zrak ali na šasijo. Kakovost te toplotne poti določa tok, ki ga krmilnik lahko trajno vzdrži. Dva krmilnika z enakimi tranzistorji imata lahko zelo različno zmogljivost glede na svojo toplotno zasnovo in pritrditev v stroju.